環境噪聲實時監測系統的研制開發

田 青 張 釗 韓圣東 顧 民 黃云龍

北方工業大學 北京 100041

1 研究背景

1.1 課題背景

噪聲源于生活中各個角落，它無處不在，與人們的生活息息相關的。噪聲已經被認為是僅次于大氣污染和水污染的第三大公害。通常環境噪聲測量的目的是了解被測環境是否符合允許的噪聲標準或噪聲超標情況，以便采取相應的控制措施。

傳統的硬件聲級計應用廣泛，小到用于聽力校準以確定噪聲對人耳聽覺的危害程度，大到用于對機械電子產品噪聲、環境噪聲、交通噪聲等的現場測量。但這種聲級計功能比較單一，如需要對噪聲進行進一步的測量，則須外接濾波器和記錄儀，不便于進行實時分析，其靈活性明顯不足。而且，如要求基于硬件的噪聲監測儀對整個噪聲頻段進行實時分析，則要并聯許多濾波器，會出現在使用一段時間后，由于電路老化等原因，造成儀器性能不穩定的現象。

為了克服硬件監控系統的缺點，本系統采用了虛擬儀器。虛擬儀器是全新概念上的最新一代測量儀器，它把現代計算機技術和儀器技術相結合，用來輔助計算機的測試。

虛擬儀器將傳統的由硬件實現的數據分析、處理和顯示等功能改為由功能強大的計算機軟件來完成，使計算機與相應的I/O接口設備相連以獲取信號，然后按照測量原理，編制具有測量功能的程序，構成相應的測試儀器。基于相同的硬件系統，虛擬儀器通過編制不同的軟件來實現多種測量儀器的功能，顯著降低了儀器的開發和維護費用，提高了儀器的靈活性和性價比。

1.2 軟件平臺

虛擬儀器的編程采用LabVIEW，因為LabVIEW采用圖形化編程(所以也被稱為G語言)，它的界面和功能與真實的儀器十分相似。它是美國國家儀器公司(National Instrument，NI)的產品，是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境。在LabVIEW環境中開發的應用程序都被冠以VI后綴，以表示虛擬儀器的含義。VI一般包括前面板和程序框圖，前面板實際就是程序的交互式用戶接口，與真實物理儀器的前面板相似，程序框圖實際就是VI的程序代碼。利用LabVIEW開發的虛擬儀器，可以利用高性能的計算機對噪聲信號進行采樣、記錄以及實時分析，也可以移植到ARM板上。

2 系統結構

2.1 硬件結構

整體硬件結構如圖1所示。傳聲器將被測聲源信號轉換為電信號，A/D卡將模擬信號轉換為數字信號后，供計算機進行分析和處理。A/D卡采用的是Sound Blsster聲卡，利用LabVIEW軟件完成對信號的讀取、分析、計算、存儲和顯示。

圖1

2.2 軟件結構

2.2.1 程序原理

軟件結構由兩部分組成(如圖2所示)。一部分是程序框圖的設計，主要分為3個模塊。第一個模塊是對拾音器所接收的聲音信號經過A/D轉換后生成電信號的讀取；第二個模塊是對讀取的電信號進行測量與分析；第三個模塊是報警系統。另一部分是前面板的顯示，主要分為3個模塊，第一個模塊顯示所測量的聲壓值；第二個模塊是控制測量開始與否的開關；第三個模塊是實時計時模塊，時刻顯示當前的時間日期。

圖2

2.2.2 程序框圖設計(如圖3所示)

圖3

(1)聲源接收模塊

測量音源的拾音頭將測得的聲音信號轉換為電壓值并傳給計算機，通過LabVIEW軟件的控制將這些電信號傳給計算機。程序設定接受的音源形式為單聲道16 bit。

(2)噪聲分析模塊

在計算機成功接收音源信號后，可以采用多種方法對其進行分析，如實時測量聲音的波峰和波谷值，或對測量的電壓值數組進行分析，選出最大幅值等。但在實際的應用測量中，由于環境噪聲本身是不規則且大幅波動的，這兩種方法所測結果波動過大，在穩定指標上難以達到要求，而有的軟件對聲源進行統計、加權等計算過于復雜。本程序旨在實時監測生活區的噪聲情況，因此減小了計權聲級問題的影響，從而大幅減少了計算量。

針對以上方法的缺點，本程序為了解決測量結果不穩定、計算量繁多的問題，采用了對聲音積分的方法進行分析。雖然噪聲是不規則且浮動較大的，但是相同聲級的噪聲在一個測量周期內所產生的能量總和是大致相等的。用這個原理可以有效地解決噪音測量結果不穩定的問題。

在得到能量的測量結果后，為了便于計算，對積分再求平均值，用這個平均值與噪音計測聲壓值結合，根據聲壓值的計算公式對它們進行擬合，繪制出對數分布圖，然后利用Excel公式擬合出精確的聲壓級公式，最后將公式導入LabVIEW軟件的公式框圖中，對噪聲進行實時測量。

(3)報警模塊

聲音超過80 dB時，會影響人們的正常生活。所以，在噪聲超過80 dB時，系統會明燈報警。

2.2.3 前面板顯示結果

前面板分別顯示所測得的聲壓值及當前時間(如圖4所示)。

圖4

3 研究結果

3.1 程序在PC機上運行的測量值與校準噪聲值對比

系統運行后測量得到的聲壓值結果與校準噪聲計所測結果基本一致(如圖5所示)。

圖5

3.2 程序在ARM板上運行的測量值與校準噪聲值對比

圖6

另外，我們將做好的系統移植到ARM板上，并且在Windows CE系統下運行，運用LabVIEW的MOBILE模塊將程序導入ARM板上。經過調試后，系統在ARM板上運行達到測量較為準確的指標(如圖6所示)。

系統運行后測量得到的聲壓值結果與校準噪聲計的結果基本一致。

4 結束語

環境噪聲測試系統通過聲級標準儀(噪聲器)標定校準，達到了測量環境噪聲值(分貝值dB)的基本要求。LabVIEW是一個簡單、易于操作的虛擬儀器系統開發與設計平臺，它集多種傳統儀器的功能與一身，并可以根據用戶的需求進行利用和綜合開發，十分方便。我們應用該平臺搭建的噪聲測試分析儀，不僅能較為準確地測量環境中的噪聲，還能降低成本，同時也能提高噪聲測試分析的效率。LabVIEW是我們學習和工作的好伙伴，是不可或缺的重要檢測及開發軟件，在科學領域中有著重要的地位，能夠幫助我們解決很多疑難問題。我們的虛擬噪聲測試儀(聲級計)的開發設計還有待進一步完善，相信必定會在日后有更大的突破。

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